SmartFrame+ – Sicherheit für Leichtbaufortbewegungsmittel

Herausforderung: Sicherheit und Leichtbau vereinen

Sowohl motor- als auch muskelbetriebene Mobilität erfordert Fortbewegungsmittel, die leicht und effizient sind. Gleichzeitig müssen sie ein hohes Maß an Sicherheit gewährleisten. Im Projekt »SmartFrame+« arbeitete ein smart³-Forschungsverbund an einer Lösung für diesen Zielkonflikt. Beteiligt waren ein mittelständisches Unternehmen für Sportgeräte, Partner aus den Bereichen Fahrsimulation, Signalverarbeitung und Spritzguss sowie zwei Fraunhofer-Institute und eine Kunsthochschule.

Mehrwerte durch Funktionsintegration

Leichtbau durch integrierte Funktionen
Belastungen und Schäden erkennen mit piezokeramischen Sensoren
Sicherheitsrelevante Informationen weitergeben mit integrierter Aktorik

Ziel war es, Fahrzeuge der Zukunft so auszurüsten, dass sie ihren Zustand selbst kennen und vor Gefahren warnen. Sensoren in den Bauteilen sollen verdeckte Schäden oder streckenbedingte Risiken erkennen. Fahrerinnen und Fahrer erhalten rechtzeitig Warnungen und können ihre Fahrweise anpassen.

Intelligente Materialien als Schlüssel

Faserverbundwerkstoffe bieten ein enormes Leichtbaupotenzial. Dieses Potenzial lässt sich vollständig ausschöpfen, wenn intelligente Materialien integriert werden. Funktionswerkstoffe wie piezokeramische Sensoren oder Aktoren überwachen die Sicherheit der Strukturen. Um diese Möglichkeiten zu demonstrieren, entwickelte das Konsortium mehrere Anwendungsbeispiele und baute Testgeräte sowie Demonstratoren.

Fahrrad als Demonstrationsobjekt

Für den Freizeitbereich wählten die Partner das Fahrrad. Es ist vertraut und ermöglicht eine einfache Bewertung neuer Konzepte. Der Ansatz: Das System soll nicht auf einen Crash reagieren, sondern ihn vermeiden. Dazu signalisiert es rechtzeitig bevorstehende Grenzbelastungen.

Das Konzept basiert auf einem sehr leichten Rahmen aus Faserverbundwerkstoff. Piezosensoren detektieren bruchgefährdende Belastungen. Aktoren in den Lenkergriffen übertragen Vibrationssignale auf die Hände. Sie beeinflussen so die Fahrweise sicherheitsrelevant. Gleichzeitig können die Griffaktoren Navigationssignale senden. Bei einem Diebstahl regen Piezoaktoren im Rahmen das System zum Schwingen an. Ein Warnton macht die Umgebung darauf aufmerksam.

Aufbau des Demonstrators

Der Demonstrator umfasst:

einen sensorierten Leichtbaurahmen,
einen Lenker mit Aktivelementen,
einen Bildschirm sowie
einen Shaker anstelle eines Sattels.

Eine Videoanimation und die Lastdaten einer ausgewählten Strecke (z. B. Rennsteig) simulieren die Fortbewegung. Videobild und Shakerprofil sind zeitlich gekoppelt. Erkennt das System anhand von Sensorwerten, Geschwindigkeit oder Geodaten eine Gefahr, warnen die in den Griffen eingebauten Piezo-Schwinger.

Die Griffe bestehen aus elastischem Kunststoff, der im Spritzgussverfahren geformt wurde. Durch ihre Konstruktion übertragen sie Vibrationen spürbar auf die Handflächen. Verlässt die radelnde Person den sicheren Bereich, ertönt zusätzlich ein Alarm. Unterschiedliche Vibrationsmuster signalisieren verschiedene Aufforderungen: Abbiegen, Geschwindigkeit anpassen oder Gefahrensituationen. Testpersonen erprobten sechs verschiedene Impulsfolgen und bewerteten die Verständlichkeit.

Der Demonstrator steht auf Messen, Workshops und Ausstellungen bereit. Besucher können eine virtuelle Downhillfahrt erleben und die Effekte des Systems selbst testen. Das Konzept lässt sich auch auf andere Fortbewegungsmittel übertragen, etwa Rollatoren oder Rollstühle.

Spitzensport: Der Skiroller als zweites Beispiel

Im Spitzensport fiel die Wahl auf den Skiroller, eine Sommer-Variante des Langlaufskis. Bisher bestehen Skiroller meist aus einfachen Aluminiumprofilen. Diese sind steif, bieten wenig Designfreiheit und erlauben nur schwer die Integration von Sensoren.

Im Projekt »SmartFrame+« entstand ein neuer Skirolleraufbau. Glas- und Kohlenstofffaserrovings wurden so kombiniert, dass sie trotz minimaler Masse alle Kräfte aufnehmen können. Gleichzeitig sorgt die Struktur für einen federnden Effekt.

Ein integrierter Piezosensor, hergestellt im Pultrusionsverfahren, misst Belastungen während des Trainings. Die Daten werden zukünftig kabellos an eine App übertragen. Sie ermöglichen die Analyse von Abdruckkraft, Position oder Länge. Sportlerinnen und Sportler erhalten direktes Feedback, erkennen Fehler und können ihre Technik verbessern. Außerdem lassen sich komplette Trainingsprofile aufzeichnen und später auswerten.

Derzeit existiert ein Prototyp. Im nächsten Schritt soll die Mess- und Analysetechnik weiterentwickelt und durch eine intelligente Bremstechnik ergänzt werden.

Mehr Informationen gibt es hier.